Skip to content
Home » Krachtige fysica-tool kan wetenschappers helpen complexe ecosystemen te begrijpen | Wetenschap

Krachtige fysica-tool kan wetenschappers helpen complexe ecosystemen te begrijpen | Wetenschap

    Je darmen zijn de thuisbasis van microbiële waanzin. Honderden biljoenen bacteriën die tot ontelbare soorten behoren, werken op complexe manieren met elkaar in wisselwerking die u zowel gezond kunnen houden als ziekten kunnen veroorzaken. Het lijkt een onmogelijke taak om deze interacties uit te plagen.

    Nu hebben microbiologen hulp gevonden uit een onwaarschijnlijke bron: de natuurkunde. Een nieuw experiment suggereert dat een krachtig concept, bekend als een faseovergang, kan voorspellen hoe complexe ecosystemen, zoals die welke zijn samengesteld uit de bacteriën in je buik, zich gedragen. De bevinding kan ons helpen ons lef gezond te houden en zelfs andere complexe ecosystemen zoals regenwouden en koraalriffen te beschermen.

    “Het is een prachtig stuk werk”, zegt Fernanda Pinheiro, een natuurkundige die bacteriële ecologie en fysiologie studeert aan de Human Technopole, die niet bij het werk betrokken was.

    Een faseovergang in de natuurkunde werkt als volgt: alles wat u echt moet weten over enorme verzamelingen deeltjes – of de 1023 Moleculen in een glas water zijn bijvoorbeeld vloeibaar of vast, of de ontelbare atomen in een metaal zich in een magneet zullen rangschikken – wordt vaak bepaald door een paar eenvoudige factoren, zoals temperatuur en druk. Theoretici hebben al in de jaren zeventig gesuggereerd dat twee factoren – het totale aantal soorten en de kracht van interacties tussen soorten – kunnen voorspellen of complexe levende systemen, zoals de duizenden soorten in een regenwoud, stabiel zullen blijven.

    Maar het testen van dergelijke theorieën is een uitdaging gebleken. Dat komt omdat er meestal geen manier is om populatiegroottes of interacties tussen soorten in natuurlijke ecosystemen experimenteel te manipuleren. “Je hebt geen knop die je kunt draaien waardoor leeuwen zebra’s beter eten”, zegt Seppe Kuehn, een ecoloog aan de Universiteit van Chicago die niet bij het onderzoek betrokken was.

    Om het probleem aan te pakken, creëerden natuurkundige Jeff Gore van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en zijn collega’s op maat gemaakte ecosystemen in het laboratorium.Ze haalden 24 bacteriesoorten op uit de grond van een natuurreservaat in de omgeving van Boston en haalden nog eens 24 uit de ingewanden van nematoden. Ze groeiden de microben samen in plastic putten en verhoogden en verlaagden de concentratie van voedingsstoffen om te manipuleren hoe sterk de verschillende soorten met elkaar in wisselwerking stonden. Hoe meer voedingsstoffen, hoe meer de verschillende soorten met elkaar wedijverden.

    De experimentele ecosystemen doorliepen drie verschillende fasen naarmate het aantal soorten in de mix of de intensiteit van interacties tussen soorten toenam. Aanvankelijk bleef de populatie van elke soort stabiel. Toen het aantal soorten of de interacties tussen soorten een bepaalde drempel overschreed, kwam het systeem abrupt in een nieuwe fase waarin sommige soorten begonnen uit te sterven. Terwijl de onderzoekers soorten bleven toevoegen en de nutriëntenniveaus opvoerden, ging het systeem over naar een derde fase: de populaties van de resterende soorten begonnen wild te fluctueren, wat aangeeft dat het ecosysteem als geheel de stabiliteit had verloren.

    Het resultaat: slechts twee variabelen – het aantal soorten en de gemiddelde interactiesterkte – bepaalden of een mengelmoes van verschillende microben stabiel of chaotisch zou zijn, zegt studieauteur Jiliang Hu, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde aan het MIT.

    De krant, vandaag gepubliceerd in Wetenschapis de eerste die repliceerbare faseovergangen rapporteert op basis van interacties tussen soorten en diversiteit in gemeenschappen met meer dan een handvol soorten, zegt Kuehn.

    Theoretici vermoeden al lang dat fluctuaties zoals die welke het team van Gore heeft gevonden, het mogelijk kunnen maken dat grote aantallen soorten naast elkaar bestaan, omdat als de populatie van de ene soort tot een laag niveau daalt, dit ruimte kan creëren voor die van een andere. De studie “geeft reden om te hopen dat een dergelijke fase ook zou kunnen bestaan ​​in natuurlijke gemeenschappen”, wat zou kunnen helpen verklaren waarom zoveel soorten naast elkaar kunnen bestaan ​​in echte ecosystemen, zegt Daniel Fisher, een natuurkundige aan de Stanford University, die niet betrokken bij het werk.

    Maar in de natuur leven organismen in omgevingen met gecompliceerde ruimtelijke structuren en invloeden van buitenaf die het team van Gore niet heeft onderzocht, merkt Fisher op. De darm is bijvoorbeeld verdeeld in verschillende regio’s en wordt voortdurend overspoeld met voedingsstoffen, chemicaliën en water. Vanwege zo’n complexiteit, zegt Fisher, “of [the finding] relevant is voor alles wat in de echte wereld in de lucht hangt.”

    Niettemin is het werk “een zeer belangrijke stap”, zegt Ophelia Venturelli, een biochemicus aan de Universiteit van Wisconsin, Madison, die niet bij het onderzoek betrokken was. De vooruitgang kan onderzoekers bijvoorbeeld helpen bij het ontwerpen van mixen van darmbacteriën die gezond blijven en weerstand bieden aan overname door ziekteverwekkers zoals: Clostridium difficiledie ernstige diarree en pijn en zelfs de dood kan veroorzaken, zegt ze.

    Als volgende stap hoopt Venturelli dat onderzoekers microbiële faseovergangen documenteren in de ingewanden van laboratoriummuizen of andere, minder kunstmatige ecosystemen. “Ik zou heel enthousiast zijn om enkele van deze ideeën die Jeffs team heeft ontdekt in meer realistische omgevingen te testen.”

    De studie zou ook een basis kunnen bieden om te testen hoe waarschijnlijk het is dat een bacteriële gemeenschap antibioticaresistentie ontwikkelt, zegt Pinheiro. “Het feit dat ze patronen vinden” in microbiële ecosystemen, zegt ze, “zal veel werk inspireren.”